חיישני EMCCD: יורשו של CCD בתאורה חלשה |

חיישן CCD להכפלת אלקטרונים הוא התפתחות של חיישן ה-CCD המאפשרת פעולה בתאורה נמוכה יותר. הם מיועדים בדרך כלל לאותות של כמה מאות פוטואלקטרונים, עד לרמת ספירת הפוטונים הבודדים.

מאמר זה מסביר מהם חיישני EMCCD, כיצד הם פועלים, יתרונותיהם וחסרונותיהם, ומדוע הם נחשבים לאבולוציה הבאה של טכנולוגיית CCD להדמיה בתאורה חלשה.

מהו חיישן EMCCD?

חיישן EMCCD (Electron-Pliplying Charge-Coupled Device) הוא סוג מיוחד של חיישן CCD המגביר אותות חלשים לפני קריאתם, מה שמאפשר רגישות גבוהה במיוחד בסביבות עם תאורה נמוכה.

חיישני EMCCD, שפותחו בתחילה עבור יישומים כגון אסטרונומיה ומיקרוסקופיה מתקדמת, יכולים לזהות פוטונים בודדים, משימה שחיישני CCD מסורתיים מתקשים איתה. יכולת זו לזהות פוטונים בודדים הופכת את EMCCD לחיוניים עבור שדות הדורשים הדמיה מדויקת ברמות אור נמוכות מאוד.

כיצד פועלים חיישני EMCCD?

עד לנקודת הקריאה, חיישני EMCCD פועלים על פי אותם עקרונות כמו חיישני CCD. עם זאת, לפני המדידה עם ה-ADC, המטענים שזוהו מוכפלים באמצעות תהליך הנקרא אימפקציוניזציה, ב'רגיסטר כפל אלקטרונים'. לאורך סדרה של כמה מאות שלבים, המטענים מפיקסל נעים לאורך סדרה של פיקסלים מוסווים במתח גבוה. לכל אלקטרון בכל שלב יש סיכוי להביא עמו אלקטרונים נוספים. לכן, האות מוכפל באופן אקספוננציאלי.

התוצאה הסופית של EMCCD מכויל היטב היא היכולת לבחור כמות מדויקת של כפל ממוצע, בדרך כלל סביב 300 עד 400 עבור עבודה בתאורה חלשה. זה מאפשר להכפיל את האותות המזוהים הרבה יותר מרעש הקריאה של המצלמה, מה שלמעשה מפחית את רעש הקריאה של המצלמה. לרוע המזל, האופי הסטוכסטי של תהליך כפל זה פירושו שכל פיקסל מוכפל בכמות שונה, מה שמכניס גורם רעש נוסף, ומפחית את יחס האות לרעש (SNR) של ה-EMCCD.

הנה פירוט של אופן פעולתם של חיישני EMCCD. עד שלב 6, התהליך זהה למעשה לזה של חיישני CCD.

בסוף החשיפה שלהם, חיישני EMCCD מעבירים תחילה במהירות מטענים שנאספו למערך מוסווה של פיקסלים בעלי מידות זהות למערך הרגיש לאור (העברת פריימים). לאחר מכן, שורה אחר שורה, מטענים מועברים לאוגר קריאה. עמודה אחר עמודה, מטענים בתוך אוגר הקריאה מועברים לאוגר כפל. בכל שלב באוגר זה (עד 1000 שלבים במצלמות EMCCD אמיתיות), לכל אלקטרון יש סיכוי קטן לשחרר אלקטרון נוסף, ולהכפיל את האות באופן אקספוננציאלי. בסוף, האות המוכפל נקרא.

1. סליקת חיובכדי להתחיל את הרכישה, המטען מנוקה בו זמנית מכל החיישן (תריס גלובלי).
2. צבירת מטעןמטען מצטבר במהלך החשיפה.
3. אחסון טעינהלאחר החשיפה, מטענים שנאספו מועברים לאזור מוסווה של החיישן, שם הם יכולים להמתין לקריאה מבלי שפוטונים חדשים שזוהו ייספרו. זהו תהליך 'העברת פריימים'.
4. חשיפה לפריים הבאלאחר שהמטענים שזוהו מאוחסנים בפיקסלים המוסתרים, הפיקסלים הפעילים יכולים להתחיל את החשיפה של הפריים הבא (מצב חפיפה).
5. תהליך הקריאהשורה אחת בכל פעם, מטענים עבור כל שורה של המסגרת המוגמרת מועברים ל'אוגר קריאה'.
6. עמודה אחת בכל פעם, מטענים מכל פיקסל מועברים אל צומת הקריאה.
7. כפל אלקטרוניםלאחר מכן, כל מטעני האלקטרונים מהפיקסל נכנסים לאוגר הכפל האלקטרונים, ונעים צעד אחר צעד, תוך הכפלת מספרם באופן אקספוננציאלי בכל שלב.
8. קריאההאות המוכפל נקרא על ידי ה-ADC, והתהליך חוזר על עצמו עד שכל המסגרת נקראת.

יתרונות וחסרונות של חיישני EMCCD

יתרונות חיישני EMCCD

יִתרוֹן	תֵאוּר
ספירת פוטונים	מזהה פוטואלקטרונים בודדים עם רעש קריאה נמוך במיוחד (<0.2e⁻), מה שמאפשר רגישות לפוטון בודד.
רגישות אולטרה-נמוכה לאור	טובים משמעותית ממצלמות CCD מסורתיות, ולפעמים עולים אפילו על מצלמות sCMOS מתקדמות ברמות אור נמוכות מאוד.
זרם חושך נמוך	קירור עמוק מפחית רעש תרמי, ומאפשר תמונות נקיות יותר במהלך חשיפות ארוכות.
תריס 'חצי גלובלי'	העברת פריימים מאפשרת חשיפה כמעט גלובלית עם הזזת מטען מהירה מאוד (כ-1 מיקרו-שנייה).

● ספירת פוטוניםעם כפל אלקטרונים גבוה מספיק, ניתן לבטל כמעט לחלוטין את רעשי הקריאה (<0.2e-). דבר זה, לצד ערך ההגבר הגבוה והיעילות הקוונטית הכמעט מושלמת, מאפשר הבחנה בין פוטואלקטרונים בודדים.
● רגישות לאור נמוך במיוחדבהשוואה למסכי CCD, ביצועי ה-EMCCD בתאורה נמוכה טובים משמעותית. ייתכנו יישומים מסוימים שבהם EMCCD מספק יכולת זיהוי וניגודיות טובים יותר, אפילו בהשוואה למסכי sCMOS מתקדמים, ברמות האור הנמוכות ביותר האפשריות.
● זרם חושך נמוךכמו עם CCDs, EMCCDs בדרך כלל מקוררים לעומק ומסוגלים לספק ערכי זרם כהה נמוכים מאוד.
● תריס 'חצי גלובלי'תהליך העברת הפריימים לתחילת החשיפה ולסיום החשיפה אינו בו זמנית באמת, אלא אורך בדרך כלל בסדר גודל של מיקרו-שנייה אחת.

חסרונות של חיישני EMCCD

חִסָרוֹן	תֵאוּר
מהירות מוגבלת	קצבי פריימים מקסימליים (כ-30 פריימים לשנייה ברזולוציה של 1 מגה פיקסל) איטיים בהרבה מאשר חלופות CMOS מודרניות.
רעש הגברה	האופי האקראי של כפל אלקטרונים מכניס רעש עודף, מה שמפחית את יחס האות לרעש (SNR).
מטען מושרה על ידי שעון (CIC)	תנועת טעינה מהירה יכולה להכניס אותות כוזבים שמתגברים.
טווח דינמי מופחת	הגבר גבוה מפחית את האות המקסימלי שהחיישן יכול להתמודד איתו לפני רוויה.
גודל פיקסל גדול	גדלי פיקסלים נפוצים (13-16 מיקרון) עשויים שלא להתאים לדרישות רבות של מערכות אופטיות.
דרישת קירור כבדה	נדרש קירור עמוק ויציב כדי להשיג ריבוי עקבי ורעש נמוך.
צורכי כיול	שבח EM מתדרדר עם הזמן (דעיכת כפל), דבר המחייב כיול קבוע.
חוסר יציבות בחשיפה קצרה	חשיפות קצרות מאוד עלולות לגרום להגברת אות ורעש בלתי צפויים.
עלות גבוהה	ייצור מורכב וקירור עמוק הופכים חיישנים אלה ליקרים יותר מאשר sCMOS.
אורך חיים מוגבל	אוגר הכפל האלקטרונים נשחק, ונמשך בדרך כלל 5-10 שנים.
אתגרי ייצוא	כפוף לתקנות מחמירות עקב יישומים צבאיים פוטנציאליים.

● מהירות מוגבלתמצלמות EMCCD מהירות מספקות כ-30 פריימים לשנייה ברזולוציה של 1 מגה פיקסל, בדומה למצלמות CCD, איטיות יותר בסדרי גודל ממצלמות CMOS.
● מבוא לרעש"גורם הרעש העודף" הנגרם על ידי ריבוי אלקטרונים אקראי, בהשוואה למצלמת sCMOS בעלת רעש נמוך ויעילות קוונטית זהה, יכול לתת ל-EMCCD רעש גבוה באופן דרסטי בהתאם לרמות האות. יחס אות לרעש (SNR) עבור sCMOS מתקדם בדרך כלל טוב יותר עבור אותות של כ-3e-, ואף יותר עבור אותות גבוהים יותר.
● טעינה מושרת שעון (CIC)אלא אם כן היא נשלטת בקפידה, תנועת מטענים על פני החיישן יכולה להכניס אלקטרונים נוספים לפיקסלים. רעש זה מוכפל לאחר מכן על ידי אוגר הכפל האלקטרונים. מהירויות תנועת מטען גבוהות יותר (קצבי שעון) מובילות לקצבי פריימים גבוהים יותר, אך ל-CIC רב יותר.
● טווח דינמי מופחתערכי הכפל האלקטרונים הגבוהים מאוד הנדרשים כדי להתגבר על רעש קריאת EMCCD מובילים להפחתה משמעותית בטווח הדינמי.
● גודל פיקסל גדולגודל הפיקסל הקטן ביותר הנפוץ עבור מצלמות EMCCD הוא 10 מיקרון, אך 13 או 16 מיקרון הם הנפוצים ביותר. גודל זה גדול מדי מכדי להתאים לדרישות הרזולוציה של רוב המערכות האופטיות.
● דרישות כיולתהליך ריבוי האלקטרונים שוחק את אוגר הקרינה האלקטרומגנטית (EM) עם השימוש, ומפחית את יכולתו להתרבות בתהליך הנקרא "דעיכת ריבוי אלקטרונים". משמעות הדבר היא שהגבר המצלמה משתנה כל הזמן, והמצלמה דורשת כיול קבוע כדי לבצע כל דימות כמותי.
● חשיפה לא עקבית בזמנים קצריםבעת שימוש בזמני חשיפה קצרים מאוד, מצלמות EMCCD עשויות להפיק תוצאות לא עקביות מכיוון שהאות החלש מוצף ברעש, ותהליך ההגברה גורם לתנודות סטטיסטיות.
● דרישת קירור כבדהתהליך ריבוי האלקטרונים מושפע מאוד מהטמפרטורה. קירור החיישן מגביר את ריבוי האלקטרונים הזמין. לכן, קירור עמוק של החיישן תוך שמירה על יציבות הטמפרטורה הוא קריטי למדידות EMCCD ניתנות לשחזור.
● עלות גבוהההקושי בייצור חיישנים מרובי-רכיבים אלה, בשילוב עם קירור עמוק, מוביל למחירים גבוהים בדרך כלל ממצלמות חיישני sCMOS באיכות הגבוהה ביותר.
● אורך חיים מוגבלדעיכת כפל אלקטרונים מגבילה את תוחלת החיים של חיישנים יקרים אלה, בדרך כלל 5-10 שנים, תלוי ברמת השימוש.
● אתגרי ייצואייבוא וייצוא של חיישני EMCCD נוטים להיות מאתגרים מבחינה לוגיסטית עקב השימוש הפוטנציאלי שלהם ביישומים צבאיים.

מדוע EMCCD הוא יורשו של CCD

תכונה	CCD	EMCCD
רְגִישׁוּת	גָבוֹהַ	אור גבוה במיוחד (במיוחד אור חלש)
רעש קריאה	לְמַתֵן	נמוך במיוחד (בגלל רווח)
טווח דינמי	גָבוֹהַ	בינוני (מוגבל על ידי רווח)
עֲלוּת	לְהוֹרִיד	גבוה יותר
הִתקָרְרוּת	אופציונלי	נדרש בדרך כלל לביצועים אופטימליים
מקרי שימוש	הדמיה כללית	זיהוי פוטון בודד בתאורה חלשה

חיישני EMCCD מבוססים על טכנולוגיית CCD מסורתית על ידי שילוב שלב הכפלת אלקטרונים. זה משפר את היכולת להגביר אותות חלשים ולהפחית רעש, מה שהופך את EMCCD לבחירה המועדפת עבור יישומי הדמיה בתאורה חלשה במיוחד שבהם חיישני CCD לוקים בחסר.

יישומים עיקריים של חיישני EMCCD

חיישני EMCCD נמצאים בשימוש נפוץ בתחומים מדעיים ותעשייתיים הדורשים רגישות גבוהה ויכולת לזהות אותות חלשים:

● דמיון מדעי החייםז: עבור יישומים כמו מיקרוסקופיית פלואורסצנציה של מולקולה בודדת ומיקרוסקופיית פלואורסצנציה של החזרה פנימית כוללת (TIRF).
● אסטרונומיהמשמש ללכידת אור חלש מכוכבים רחוקים, גלקסיות ומחקר כוכבי לכת חיצוניים.
● אופטיקה קוונטיתעבור ניסויים של שזירת פוטונים ומידע קוונטי.

● פורנזיקה ואבטחהמשמש במעקב בתאורה חלשה ובניתוח ראיות.
● ספקטרוסקופיהבספקטרוסקופיית ראמאן וגילוי פלואורסצנציה בעוצמה נמוכה.

מתי כדאי לבחור חיישן EMCCD?

עם השיפורים בחיישני CMOS בשנים האחרונות, היתרון של חיישני EMCCD ברעש הקריאה פחת, שכן כיום אפילו מצלמות sCMOS מסוגלות לקריאת רעשי תת-אלקטרונים, לצד מגוון עצום של יתרונות נוספים. אם יישום השתמש בעבר ב-EMCCD, כדאי בהחלט לבחון האם זוהי הבחירה הטובה ביותר בהתחשב בהתפתחויות ב-sCMOS.

מבחינה היסטורית, EMCCDs עדיין יכלו לבצע ספירת פוטונים בצורה מוצלחת יותר, לצד כמה יישומי נישה אחרים עם רמות אות אופייניות של פחות מ-3-5e- לפיקסל בשיא. עם זאת, עם גדלי פיקסלים גדולים יותר ורעש קריאת תת-אלקטרונים שהופך לזמין ב-מצלמות מדעיותבהתבסס על טכנולוגיית sCMOS, ייתכן שגם יישומים אלה יוכלו בקרוב להתבצע באמצעות sCMOS מתקדם.

שאלות נפוצות

מהו זמן החשיפה המינימלי עבור מצלמות העברת פריימים?

עבור כל חיישני העברת הפריימים, כולל EMCCDs, שאלת זמן החשיפה המינימלי האפשרי היא שאלה מורכבת. עבור רכישת תמונה בודדת, ניתן לסיים את החשיפה על ידי ערבוב מטענים שנרכשו לאזור המסווה לצורך קריאה מהירה מאוד, וזמני חשיפה מינימליים קצרים (תת-מיקרו-שנייה) אפשריים.

עם זאת, ברגע שהמצלמה מצלמת במהירות מלאה, כלומר קולטת מספר פריימים / סרט בקצב פריימים מלא, ברגע שהתמונה הראשונה מסיימת את החשיפה, האזור המוסתר תפוס על ידי פריים זה עד להשלמת הקריאה. לכן, החשיפה לא יכולה להסתיים. משמעות הדבר היא שבלי קשר לזמן החשיפה המבוקש בתוכנה, זמן החשיפה האמיתי של הפריימים הבאים לאחר הראשון מבין רכישת מספר פריימים במהירות מלאה ניתן על ידי זמן הפריימים, כלומר 1 / קצב פריימים, של המצלמה.

האם טכנולוגיית sCMOS מחליפה את חיישני EMCCD?

למצלמות EMCCD היו שני מפרטים שסייעו לשמור על יתרונן בתרחישי צילום בתאורה חלשה במיוחד (עם רמות אות שיא של 5 פוטואלקטרונים או פחות). ראשית, הפיקסלים הגדולים שלהן, עד 16 מיקרומטר, ושנית, רעש הקריאה שלהן <1e.

דור חדש שלמצלמת sCMOSצצה מצלמת sCMOS המציעה את אותם מאפיינים, ללא החסרונות הרבים של מצלמות EMCCD, ובמיוחד גורם הרעש העודף. מצלמות כמו ה-Aries 16 של Tucsen מציעות פיקסלים עם תאורה אחורית של 16 מיקרון ורעש קריאה של 0.8e-. עם רעש נמוך ופיקסלים גדולים 'מקוריים', מצלמות אלו גם עולות על רוב מצלמות ה-sCMOS המבודדות, בשל הקשר בין binning לרעש קריאה.

אם ברצונך ללמוד עוד על EMCCD, אנא לחץ:

האם ניתן להחליף את ה-EMCCD והאם אי פעם נרצה בכך?